Implementación de un sistema de control de temperatura en un biodigestor semi continuo en la Universidad de Ibagué
El diseño de un sistema de control de temperatura para un biodigestor semi continuo es esencial para asegurar el funcionamiento eficiente y estable de este sistema. Un biodigestor semicontinuo es una instalación que permite la descomposición de materia orgánica en condiciones anaeróbicas, generando...
- Autores:
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Alonso Acevedo, Eric Kamil
Gaitán Ledezma, Sergio Alejandro
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2024
- Institución:
- Universidad de Ibagué
- Repositorio:
- Repositorio Universidad de Ibagué
- Idioma:
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- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/20.500.12313/4170
- Palabra clave:
- Universidad de Ibagué - Biodigestor - Control de temperatura
Biogás
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El diseño de un sistema de control de temperatura para un biodigestor semi continuo es esencial para asegurar el funcionamiento eficiente y estable de este sistema. Un biodigestor semicontinuo es una instalación que permite la descomposición de materia orgánica en condiciones anaeróbicas, generando biogás. La temperatura juega un papel crítico en este proceso, ya que afecta directamente la actividad de los microorganismos responsables de la descomposición y la producción de biogás. La variabilidad de las condiciones climáticas y de la composición de los sustratos puede influir en la temperatura dentro del biodigestor, lo que a su vez afecta la tasa de producción de biogás y la calidad del proceso en general. La implementación de un sistema de control de temperatura busca mantener las condiciones para la actividad microbiana al ajustar la temperatura interna del biodigestor. |
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Alonso Acevedo, E. K. & Gaitán Ledezma, S. A. (2024). Implementación de un sistema de control de temperatura para un biodigestor semi continuo en la Universidad de Ibagué. [Trabajo de grado. Universidad de Ibagué]. https://hdl.handle.net/20.500.12313/4170 |
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La variabilidad de las condiciones climáticas y de la composición de los sustratos puede influir en la temperatura dentro del biodigestor, lo que a su vez afecta la tasa de producción de biogás y la calidad del proceso en general. La implementación de un sistema de control de temperatura busca mantener las condiciones para la actividad microbiana al ajustar la temperatura interna del biodigestor.La digestión anaeróbica es una forma amigable con el medio ambiente de dar un manejo adecuado a los desechos orgánicos en la Universidad de Ibagué, así como en cualquier lugar donde exista este tipo de residuos con el fin de generar biogás. Sin embargo, este proceso se rige bajo ciertos parámetros como lo es la temperatura, la cual debe estar controlada mediante un sistema de control, el cual mantenga la temperatura en un rango entre 35 y 40 ºC con el fin de lograr el mejor rendimiento en la producción de biogás. En el presente trabajo se diseñó un sistema de control ON-OFF para un biodigestor semi continuo con una capacidad de 50 litros ubicado en el laboratorio de combustión de la Universidad de Ibagué, el cual se dotó de un sistema de tuberías en PVC y una bomba centrífuga con el fin de recircular el licor de mezcla en el interior del biodigestor y así mejorar la homogeneización de la temperatura al interior del mismo. Así mismo, el sistema de control de temperatura se conformó por un controlador Pixsys ATR-171, un sensor termo resistivo (RTD) tipo PT100, un relé de estado sólido (SSR) de 25 A y un dispositivo calefactor y de bombeo CORIO CD. A su vez, se implementó un sensor de temperatura DS18B20 mediante un micro controlador Arduino UNO con el fin de realizar el monitoreo y registro de datos, los cuales fueron útiles a la hora de comprobar la estabilidad real del sistema y su comportamiento a través del tiempo. Se llevó a cabo la formulación del modelo matemático del sistema térmico con el objetivo de encontrar la función de transferencia correspondiente. Este modelo fue posteriormente validado mediante Matlab, lo que permitió simular el comportamiento teórico utilizando Simulink MathWorks. Durante esta simulación, se obtuvo la curva teórica correspondiente y valores críticos, el tiempo de estabilización, el Overshoot y polos y ceros de la función de transferencia. La simulación preliminar, combinada con los datos obtenidos en tiempo real a través del sensor DS18B20 y el análisis de polos y ceros, resultaron fundamentales para evaluar la estabilidad, validez y robustez del sistema de control de temperatura ON-OFF. Posteriormente, se procedió al cálculo de los costos, considerando tanto la implementación del sistema de control como la ausencia del mismo. Este análisis económico fue esencial para determinar la viabilidad financiera del proyecto. La mejora de estos procesos es crucial, no solo desde una perspectiva técnica, sino también en términos económicos, para garantizar la aplicabilidad más eficiente y rentable del sistema propuesto.Anaerobic digestion is an environmentally friendly way to properly manage organic waste at the University of Ibagué, as well as in any place where there is this type of waste in order to generate biogas. However, this process is governed under certain parameters such as temperature, which must be controlled by a control system, which maintains the temperature in a range between 35 and 40 ºC in order to achieve the best performance in biogas production. In this work, an ON-OFF control system was designed for a semi-continuous biodigester with a capacity of 50 liters located in the combustion laboratory of the University of Ibagué, which was equipped with a PVC piping system and a centrifugal pump in order to recirculate the mixing liquor inside the biodigester and thus improve the homogenization of the temperature inside the biodigester. The temperature control system consisted of a Pixsys ATR-171 controller, a PT100 thermo-resistive sensor (RTD), a 25 A solid state relay (SSR) and a CORIO CD heating and pumping device. In turn, a DS18B20 temperature sensor was implemented through an Arduino UNO microcontroller in order to monitor and record data, which were useful when checking the real stability of the system and its behavior over time. The mathematical model of the thermal system was formulated in order to derive the corresponding transfer function. This model was later validated by means of MATLAB, which allowed simulating the theoretical behavior using Simulink MathWorks. During this simulation, the corresponding theoretical curve and critical values, such as stabilization time and Overshoot, were obtained. The preliminary simulation, combined with the data obtained in real time through the DS18B20 sensor and the analysis of poles and zeros, were fundamental to evaluate the stability and robustness of the ON-OFF temperature control system. Trabajo de grado. Ingeniería Mecánica, 2024. 5 6 Título de la tesis o trabajo de investigación Subsequently, costs were calculated, considering both the implementation of the control system and the absence of it. This economic analysis was essential to determine the financial viability of the project. The improvement of these processes is crucial, not only from a technical perspective, but also in economic terms, to ensure the most efficient and cost-effective applicability of the proposed system.PregradoIngeniero Mecánico[7:19 p. m., 19/4/2024] Don Chimbo: Introducción 1 Planteamiento del problema 2 Objetivos 4 Capítulo 1: Marco teórico 5 1.1 Sistema de control de temperatura 5 1.1.1 Características de un sistema de control de temperatura 5 1.1.2 Tipos de sistemas de control de temperatura 6 1.1.3 Control en lazo abierto 6 1.1.4 Control en lazo cerrado: 7 1.1.5 Diseño y compensación de sistemas de control 9 1.1.6 Rangos de temperatura en la producción de biogás 10 1.1.7 Selección de Valor deseado de temperatura o Set Point 11 Capítulo 2: Metodología y resultados 12 2.1 Biodigestor 12 2.1.1 Características térmicas y químicas del líquido de mezcla 12 2.1.2 Volumen del biodigestor y aislante 14 2.1.3 Bomba centrífuga 15 2.1.4 Sistema de tubería y accesorios 16 2.2 Transferencia de calor 17 2.2.1 Diagrama P&ID del proceso 17 2.2.2 Balance de energía en el biodigestor 19 2.2.3 Pérdidas por transferencia de calor en el espiral de cobre 24 2.2.4 Pérdidas de calor en el biodigestor 29 2.2.5 Transferencia de calor en el termostato de inmersión 32 2.3 Características técnicas de equipos empleados para el control 33 2.3.1 Caracterización del dispositivo calefactor 33 2.3.2 Características del sensor PT-100 35 2.3.3 Sensor de temperatura DS18B20 36 2.3.4 Características microcontrolador Arduino 37 2.3.5 Características del controlador Pixsys ATR171 38 2.3.6 Características del relé de estado sólido 39 Capítulo 3: Diseño e implementación del sistema de control 40 3.1 Diseño del sistema de control de temperatura 40 3.1.1 Definición de la estrategia de control 41 3.1.2 Determinación arquitectónica del modelo 41 3.1.3 Modelo matemático del sistema 43 3.1.4 Simulación y validación del modelo matemático en Simulink 47 3.2 Implementación del sistema de control 50 3.2.1 Conexiones eléctricas 51 3.2.2 Implementación del controlador 54 3.2.3 Implementación tarjeta Arduino 56 3.2.4 Estabilidad del sistema 58 Capítulo 4 Análisis de resultados 63 Capítulo 5 Conclusiones y Recomendaciones 1 Conclusiones 1 Recomendaciones 1 Referencias bibliográficas 1 Anexos 1 Anexo A: Plano realizado en solidworks del proceso arquitectónico del proyecto 1 Anexo B: Código Arduino para el sensor DS18B20 1 Anexo C: Tabla de datos figura 4-3 1 Anexo D: Código en Matlab para validación del modelo matemático 1 Anexo E: Código Matlab método polos y ceros 1 Anexo F: Código de Matlab para el cálculo de parámetros para una curva de función de transferencia 1 Anexo G: Costo kwh para Ibagué en enero 2024 1 [7:21 p. m., 19/4/2024] Don Chimbo: Introducción 1 Planteamiento del problema 2 Objetivos 4 Capítulo 1: Marco teórico 5 1.1 Sistema de control de temperatura 5 1.1.1 Características de un sistema de control de temperatura 5 1.1.2 Tipos de sistemas de control de temperatura 6 1.1.3 Control en lazo abierto 6 1.1.4 Control en lazo cerrado: 7 1.1.5 Diseño y compensación de sistemas de control 9 1.1.6 Rangos de temperatura en la producción de biogás 10 1.1.7 Selección de Valor deseado de temperatura o Set Point 11 Capítulo 2: Metodología y resultados 12 2.1 Biodigestor 12 2.1.1 Características térmicas y químicas del líquido de mezcla 12 2.1.2 Volumen del biodigestor y aislante 14 2.1.3 Bomba centrífuga 15 2.1.4 Sistema de tubería y accesorios 16 2.2 Transferencia de calor 17 2.2.1 Diagrama P&ID del proceso 17 2.2.2 Balance de energía en el biodigestor 19 2.2.3 Pérdidas por transferencia de calor en el espiral de cobre 24 2.2.4 Pérdidas de calor en el biodigestor 29 2.2.5 Transferencia de calor en el termostato de inmersión 32 2.3 Características técnicas de equipos empleados para el control 33 2.3.1 Caracterización del dispositivo calefactor 34 2.3.2 Características del sensor PT-100 35 2.3.3 Sensor de temperatura DS18B20 36 2.3.4 Características microcontrolador Arduino 37 2.3.5 Características del controlador Pixsys ATR171 38 2.3.6 Características del relé de estado sólido 39 Capítulo 3: Diseño e implementación del sistema de control 41 3.1 Diseño del sistema de control de temperatura 41 3.1.1 Definición de la estrategia de control 42 3.1.2 Determinación arquitectónica del modelo 42 3.1.3 Modelo matemático del sistema 44 3.1.4 Simulación y validación del modelo matemático en Simulink 48 3.2 Implementación del sistema de control 52 3.2.1 Conexiones eléctricas 52 3.2.2 Implementación del controlador 55 3.2.3 Implementación tarjeta Arduino 57 3.2.4 Estabilidad del sistema 59 Capítulo 4 Análisis de resultados 65 Capítulo 5 Conclusiones y Recomendaciones 74 Conclusiones 74 Recomendaciones 74 Referencias bibliográficas 76 Anexos 81 Anexo A: Plano realizado en solidworks del proceso arquitectónico del proyecto 81 Anexo B: Código Arduino para el sensor DS18B20 82 Anexo C: Tabla de datos figura 4-3 83 Anexo D: Código en Matlab para validación del modelo matemático 84 Anexo E: Código Matlab método polos y ceros 85 Anexo F: Código de Matlab para el cálculo de parámetros para una curva de función de transferencia 86 Anexo G: Costo kwh para Ibagué en enero 2024 87La implementación de un sistema de control de temperatura para un biodigestor semi continuo es imprescindible para promover el crecimiento bacteriano al interior del biodigestor con el fin de aportar positivamente a la producción de biogás y desempeño en general del mismo.102 páginasapplication/pdfAlonso Acevedo, E. 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